Fiber optic sensors for the biomechanical study of the intervertebral disc

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar o comportamento mecânico do disco intervertebral recorrendo a sensores em fibra ótica. Na expetativa de efetuar o melhor enquadramento do tema foi efetuada uma revisão exaustiva das várias configurações de sensores em fibra ótica que têm vindo a ser utilizadas em aplicações biomédicas e biomecânicas, nomeadamente para medição de temperatura, deformação, força e pressão. Nesse âmbito, procurou-se destacar as potencialidades dos sensores em fibra ótica e apresentá-los como uma tecnologia alternativa ou até de substituição das tecnologias associadas a sensores convencionais. Tendo em vista a aplicação de sensores em fibra ótica no estudo do comportamento do disco intervertebral efetuou-se também uma revisão exaustiva da coluna vertebral e, particularmente, do conceito de unidade funcional. A par de uma descrição anatómica e funcional centrada no disco intervertebral, vértebras adjacentes e ligamentos espinais foram ainda destacadas as suas propriedades mecânicas e descritos os procedimentos mais usuais no estudo dessas propriedades. A componente experimental do presente trabalho descreve um conjunto de experiências efetuadas com unidades funcionais cadavéricas utilizando sensores convencionais e sensores em fibra ótica com vista à medição da deformação do disco intervertebral sob cargas compressivas uniaxiais. Inclui ainda a medição in vivo da pressão intradiscal num disco lombar de uma ovelha sob efeito de anestesia. Para esse efeito utilizou-se um sensor comercial em fibra ótica e desenvolveu-se a respetiva unidade de interrogação. Finalmente apresenta-se os resultados da investigação em curso que tem como objetivo propor e desenvolver protótipos de sensores em fibra ótica para aplicações biomédicas e biomecânicas. Nesse sentido, são apresentadas duas soluções de sensores interferométricos para medição da pressão em fluídos corporais.

The present work aimed to study the mechanical behavior of the intervertebral disc using fiber optic sensors. To address the theme an exhaustive review of the various configurations of fiber optic sensors that have been used in biomechanical and biomedical applications, in particular for measuring temperature, strain, force and pressure, was conducted. In this context, an effort was made to highlight the advantages of fiber optic sensors and present them as an alternative or even a substitution technology to conventional sensors. In view of the application of fiber optic sensors to study intervertebral disc behavior an exhaustive review of the spine and, particularly, of the spinal motion segment was made. Along with an anatomical and functional description of the intervertebral disc, the adjacent vertebrae and spinal ligaments, their mechanical properties were also highlighted as well as the most common procedures and guidelines followed in the study of these properties. The experimental section of the present work describes a set of tests performed with cadaveric spinal motion segments using conventional and fiber optic sensors to assess strain of the intervertebral disc under uniaxial compressive loads. This section also includes an experience reporting in vivo pressures measured in the lumbar disc of a sheep under general anesthesia. In this case, a commercial fiber optic sensor and a purpose-built interrogation unit were used. Finally, the results of ongoing research aiming to develop fiber optic sensors prototypes for biomedical and biomechanical applications are presented. Thus, the proof of concept of two possible interferometric configurations intended for pressure measurement in body fluids was presented.